一、分頁管理原理

1. 基本概念：

   • 物理內存被劃分為固定大小的頁框（Page Frame），邏輯地址空間被劃分為相同大小的頁（Page）。

   • 通過頁表（Page Table）實現邏輯地址到物理地址的映射。

   • 邏輯地址 = 頁號（Page Number） + 頁內偏移（Offset）。

   • 頁表存儲頁號到物理頁框號的映射關系。

2. 地址轉換流程：

   1. CPU生成邏輯地址。

   2. 提取頁號和頁內偏移。

   3. 查詢頁表獲取物理頁框號。

   4. 物理地址 = 物理頁框號 × 頁大小 + 頁內偏移。

3. 關鍵問題：

   • 頁表存儲開銷大（多級頁表解決）。

   • 地址轉換速度（TLB緩存加速）。

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二、分頁管理模擬代碼（C語言）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>#define PAGE_SIZE 4096     // 頁大小4KB
#define PAGE_TABLE_SIZE 1024 // 頁表條目數// 頁表項結構
typedef struct {int valid;  // 有效位int frame;  // 物理頁框號
} PageTableEntry;PageTableEntry page_table[PAGE_TABLE_SIZE]; // 頁表// 初始化頁表
void init_page_table() {for (int i = 0; i < PAGE_TABLE_SIZE; i++) {page_table[i].valid = 0; // 初始化為無效page_table[i].frame = -1;}
}// 邏輯地址轉物理地址
int logical_to_physical(int logical_addr) {int page_number = logical_addr / PAGE_SIZE;int offset = logical_addr % PAGE_SIZE;if (page_table[page_number].valid) {return page_table[page_number].frame * PAGE_SIZE + offset;} else {printf("Page Fault! Page %d not in memory.\n", page_number);return -1; // 觸發缺頁中斷}
}int main() {init_page_table();// 模擬頁表映射：頁號2 -> 物理幀5page_table[2].valid = 1;page_table[2].frame = 5;// 測試地址轉換int logical_addr = 8192; // 頁號=2, 偏移=0int physical_addr = logical_to_physical(logical_addr);if (physical_addr != -1) {printf("Logical: 0x%x -> Physical: 0x%x\n", logical_addr, physical_addr);}return 0;
}

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三、GDB調試步驟

1. 編譯代碼：

   gcc -g paging_demo.c -o paging_demo

2. 啟動GDB：

   gdb ./paging_demo

3. 關鍵調試命令：

   (gdb) break logical_to_physical    # 在轉換函數設置斷點
   (gdb) run                         # 運行程序
   (gdb) print logical_addr          # 查看邏輯地址值
   (gdb) print page_number           # 觀察計算的頁號
   (gdb) x/4x &page_table[2]         # 檢查頁表項內容
   (gdb) step                        # 單步執行觀察分支跳轉
   (gdb) print physical_addr         # 查看轉換結果

4. 調試輸出示例：

   Breakpoint 1, logical_to_physical (logical_addr=8192) at paging_demo.c:23
   23          int page_number = logical_addr / PAGE_SIZE;
   (gdb) print page_number
   $1 = 2
   (gdb) x/4x &page_table[2]
   0x4040a0 <page_table+16>: 0x00000001      0x00000005  # valid=1, frame=5

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四、心得體會

1. 分頁機制優勢：

   • 消除外部碎片，提高內存利用率。

   • 支持虛擬內存，通過缺頁中斷實現按需加載。

2. 調試收獲：

   • 直觀看到頁表項中valid位和frame號的作用。

   • 理解地址拆分和拼接的二進制操作本質。

3. 性能思考：

   • 單級頁表在大型系統中不現實（如32位系統需4MB頁表）。

   • TLB和層次頁表（如x86四級頁表）的實際必要性。

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五、擴展實驗建議

1. 修改代碼模擬缺頁中斷處理流程。

2. 實現多級頁表（如二級頁表）。

3. 添加TLB緩存模擬并比較命中率。

通過實際代碼和調試工具的結合，可以更深入地理解操作系統內存管理的核心機制。